橋塔鋼-混結(jié)合段分析

張樹(shù)清，尹 超

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥230088)

橋塔鋼-混結(jié)合段分析

張樹(shù)清，尹 超

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥230088)

建立鋼混結(jié)合段三維有限元模型，通過(guò)多種最不利工況靜力計(jì)算，分析鋼塔柱、混凝土塔柱及鋼混結(jié)合處的應(yīng)力和變形，確定各部件的應(yīng)力狀況及分布，研究鋼混結(jié)合段接頭的傳力機(jī)理，對(duì)設(shè)計(jì)方案提供指導(dǎo)。

鋼混結(jié)合段;有限元;靜力分析;應(yīng)力

0 引言

鋼混接頭構(gòu)造復(fù)雜，由混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接、高強(qiáng)度螺栓、預(yù)應(yīng)力鋼索、剪力槽、摩擦等連接而成，結(jié)構(gòu)存在著梁、實(shí)體、板、索等多種單元形式，涉及到預(yù)應(yīng)力問(wèn)題、接觸問(wèn)題、彈塑性問(wèn)題、收縮徐變問(wèn)題等[1]。鑒于橋塔混合接頭存在的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，以及其安全、可靠對(duì)橋梁的重要性，單純依靠平面桿系有限元仿真計(jì)算技術(shù)，難以準(zhǔn)確把握其實(shí)際受力狀況。為了解該關(guān)鍵部位的受力情況，也同時(shí)為結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)，需對(duì)鋼混結(jié)合段及其受力、傳力機(jī)制和受力狀態(tài)進(jìn)行深入細(xì)致的分析，分析采用大型三維有限元程序。了解各主要不利工況下混凝土塔柱、鋼塔柱、應(yīng)力及變形的分布情況。

1 工程概況

某主橋采用130 m+130 m預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔斜拉橋，主橋全長(zhǎng)260 m，如圖1所示。主梁采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土單箱五室斷面。主塔采用空間造型橋塔，主塔立面呈“人字形”，橫橋向呈“Y型”。

圖1 橋型總體布置圖(單位:m)

主塔采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。橋面以上為Y型結(jié)構(gòu)，鋼塔部分高度為82.0 m，混凝土部分高度為24.0 m，承臺(tái)以上橋塔總高度為106.0 m。塔頂高程為+107.722 m。塔底高程為+1.722 m。上塔柱設(shè)置一道4.4 m鋼橫梁。塔柱自塔底至塔頂依次為:17.2 m混凝土塔柱、6.8 m鋼-混結(jié)合段和82.0 m鋼塔柱。鋼塔柱采用Q345qD，混凝土塔柱材質(zhì)為C50。

圖2 橋塔-般構(gòu)造圖(單位:m)

2 計(jì)算模型

2.1 鋼混結(jié)合段

鋼混結(jié)合處混凝土塔柱的壓應(yīng)力主要通過(guò)塔柱底座板、剪力釘、剪力鍵傳遞到下塔柱混凝土中[2，3]，而拉應(yīng)力則通過(guò)錨固螺桿傳遞到基礎(chǔ)中。鋼混結(jié)合段箱內(nèi)600 mm范圍內(nèi)設(shè)置縱橫交錯(cuò)加強(qiáng)板傳遞壓力，使混凝土頂面壓力受壓均勻。設(shè)計(jì)時(shí)考慮在塔柱底部混凝土內(nèi)預(yù)埋錨固螺桿來(lái)傳遞彎矩，通過(guò)給螺栓施加了預(yù)拉力，使底座板在工作狀態(tài)下塔底截面無(wú)拉力，即底板不出現(xiàn)縫隙，一直與混凝土頂面保持密貼。在塔底截面共布置36根直徑為70 mm的40 CrNiMoA螺桿，并施加預(yù)拉力。單個(gè)螺桿預(yù)拉力大小為1 300 kN，施工時(shí)需考慮張拉力損失的影響。圖3為鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖。

圖3 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖(單位:m)

2.2 有限元模型

鋼混結(jié)合處構(gòu)造極其復(fù)雜，且在各截面上有軸力、彎矩、扭矩、剪力的作用[4]，同時(shí)接頭部位還含巨大預(yù)應(yīng)力的作用，結(jié)構(gòu)受力異常復(fù)雜。在如此小的范圍內(nèi)構(gòu)件相互交錯(cuò)，其應(yīng)力場(chǎng)將比較復(fù)雜，因此需用大型有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力場(chǎng)和變形進(jìn)行細(xì)致分析。

采用ANSYS建模，建模中混凝土采用體單元模擬，鋼主塔采用殼單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線和預(yù)應(yīng)力螺桿采用桿單元模擬。材料采用理想彈塑性的本構(gòu)模型[2]，鋼材彈性模量2.1e5 MPa，泊松比Vs=0.3;混凝土彈性模量3.45e4 MPa，泊松比Vs= 0.2。圖4為鋼混結(jié)合段有限元模型。

圖4 鋼混結(jié)合段有限元模型

2.3 邊界條件

有限元模型塔柱底部混凝土采用固結(jié)約束。鋼板和混凝土板相同位置(剪力釘位置)節(jié)點(diǎn)采用共節(jié)點(diǎn)處理，疊合段鋼塔柱底部鋼板與混凝土塔柱底面采用接觸單元，摩擦系數(shù)取0.4。鋼主塔T1上方按照整體模型計(jì)算結(jié)果施加均布軸力、彎矩、剪力和扭矩等內(nèi)力組合。各斷面上的內(nèi)力(軸力和剪力)都通過(guò)截面均布力施加到模型上，彎矩則通過(guò)延伸一段鋼臂施加力偶實(shí)現(xiàn)[5]。模型中順橋向?yàn)閤向，高度方向?yàn)閥向，z向?yàn)闄M橋向由右手定則確定。

3 靜力分析

3.1 計(jì)算工況

結(jié)構(gòu)計(jì)算工況內(nèi)力按照以鋼混結(jié)合處的最不利工況進(jìn)行分析[6]，分別確定了結(jié)合處三種工況:工況一，最大軸力;工況二，最大順橋向剪力;工況三，最大順橋向彎矩，如表1所示。研究分析三種工況下受力情況，得到相應(yīng)的位移、應(yīng)力結(jié)果，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)工況-荷載

3.2 計(jì)算結(jié)果

分析計(jì)算得到鋼混結(jié)合段處應(yīng)力及整體位移結(jié)果，如表2所示。

表2 鋼混結(jié)合段最大位移-應(yīng)力

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，工況一作用下鋼混結(jié)合段位移、應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)響應(yīng)較其它工況明顯，限于文章篇幅，僅列出工況一作用下鋼混結(jié)合段位移、應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 工況-混凝土塔柱順橋向變形圖(單位:m)

圖6 工況-混凝土塔柱應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖7 工況-鋼塔柱Mises應(yīng)力云圖(單位:Pa)

在工況一內(nèi)力組合作用下:

(1)混凝土塔柱的受力和變形以軸向受壓為主，由于活載對(duì)稱(chēng)布置，混凝土塔柱的應(yīng)力分布及變形基本呈對(duì)稱(chēng)關(guān)系。

(2)混凝土塔柱的變形如圖5所示。由圖可知，混凝土塔柱的變形基本呈對(duì)稱(chēng)關(guān)系，順橋向最大變形為0.318 mm，位于混凝土塔柱頂部右側(cè)處，然后四周和往左減小。混凝土塔柱最大橫橋向變形為0.096 7 mm。塔柱變形以豎向受壓為主，中間變形較大，四周變形較小。

(3)混凝土的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力分布如圖6所示。由圖可知，塔柱混凝土的主壓應(yīng)力主要分布在接頭疊合面預(yù)應(yīng)力布置范圍和鋼塔柱豎向主板交角處，最大主壓應(yīng)力為-22.4 MPa，位于混凝土塔柱頂面，應(yīng)力極值相對(duì)材料的許可值還有一定余量。塔柱混凝土最大主拉應(yīng)力為1.88 MPa，位于混凝土頂面和鋼塔柱結(jié)合處，主要由順橋向剪切力造成，剪切力在剪力釘處使混凝土頂面節(jié)點(diǎn)和鋼塔柱底面節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生滑移。

(4)鋼塔柱的Von Mises應(yīng)力分布，如圖7所示，鋼塔柱最大 Von Mises應(yīng)力為186 Pa，Von Mises應(yīng)力極值主要分布在鋼混固結(jié)處。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼混結(jié)合段進(jìn)行多工況靜力分析，應(yīng)力云圖結(jié)果顯示該方案在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度響應(yīng)方面均表現(xiàn)良好，設(shè)計(jì)合理。

(1)結(jié)合段接頭混凝土在界面最大內(nèi)力組合各工況下，混凝土應(yīng)力最大主拉應(yīng)力為1.88 MPa，最大主壓應(yīng)力為-22.4 MPa;鋼塔柱各主要板件以受壓為主，最大Von Mises應(yīng)力點(diǎn)極值為186.0 MPa，在材料許可范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)結(jié)合段接頭混凝土在界面最大內(nèi)力組合各工況下，界面上下未發(fā)生工程精度范圍內(nèi)的滑移，且兩者變形基本協(xié)調(diào)，界面摩擦抗剪有一定儲(chǔ)備。

(3)錨墊板局部受壓，結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較大，在優(yōu)化分析模型考慮螺帽等的作用時(shí)，各部位受力基本滿足要求，如錨下填充混凝土后，也能較大程度地改善結(jié)構(gòu)受力狀況。

(4)對(duì)接頭預(yù)應(yīng)力采用螺桿，結(jié)構(gòu)整體受力合理，且預(yù)應(yīng)力螺桿后期養(yǎng)護(hù)方便。

(5)通過(guò)理論分析表明鋼混結(jié)合接頭位置板件的局部穩(wěn)定性能滿足要求，板件加勁肋的設(shè)置合理。

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U441

B

1009-7716(2015)11-0085-03

2015-04-15

張樹(shù)清(1983-)，男，安徽阜南人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)研究工作。